Vylepšené rádio NRF24L01 s úpravou dipólové antény DIY: 5 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Situace byla taková, že jsem byl schopen vysílat a přijímat pouze 2 nebo 3 stěny se vzdáleností asi 50 stop pomocí standardních modulů nRF24L01+. To nebylo dostatečné pro mé zamýšlené použití.

Dříve jsem zkoušel přidat doporučené kondenzátory, ale pro mě a můj hardware došlo k velmi malému až žádnému zlepšení. Na fotografiích je proto prosím ignorujte.

U svých dálkových senzorů jsem nechtěl převážnou část jednotky, jako je nRF24L01+PA+LNA s montáží SMA a venkovní anténou. Vytvořil jsem tedy tento upravený modul.

S tímto upraveným modulem RF24 jsem mohl projít čtyřmi stěnami ve vzdálenosti asi 100 stop.

Tento modul by měl také téměř zdvojnásobit vzdálenost oproti standardnímu modulu nRF24, pokud je používán s aplikacemi zaměřenými na přímý pohled; jako RF letadla, čtyřkolky, auta a čluny (100 s metrů). Neudělal jsem žádné jasné testy zraku. Při mých testech byly mezi vysílači a přijímači kuchyňské spotřebiče a skříně a skříně plné věcí.

Zde je několik podrobných informací o dipólové anténě https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna pro další studium antén zkuste: https://www.arrl.org nebo

Prostudoval jsem některé konstrukce antén, ale existuje mnoho konkrétních návrhových dat a teorie o obrovském a rostoucím počtu návrhů antén (zejména pro vysokofrekvenční kompaktní antény), že je snadné cítit se trochu ztraceni v lese. Experimentování tedy hraje klíčovou roli.

Když jsem si tím vším prošel, dávám vám zde implementaci mé výsledné úpravy designu.

Krok 1: Položky, které budete potřebovat

K výrobě vlastní vylepšené NRF24L01+ s vylepšenou (dipólovou) anténou budete potřebovat:

• modul NRF24L01+ https://www.ebay.com/itm/191351948163 nebo www.ebay.com/itm/371215258056
• Páječka a související položky.
• Přesný nůž (nebo jiný způsob seškrábání ochranných povlaků)
• 24ga. Plný drát (volitelně až 30 ga.)

Krok 2: Úprava rádiového modulu

Začal jsem se základními návrhy dipólových antén a experimentálně je vyladil.

Některé návrhy, které vyžadují prvek vlnové délky need, vyžadují jemné úpravy kvůli instancím kapacity, impedance, indukčnosti a rezonancí. Nemám prostředky k měření těchto charakteristik v aktivním obvodu 2,4 GHz, takže jsem očividně potřebnou úpravu provedl empirickým testováním.

Na obrázku je několik mých testovacích jednotek. Když jsem pájel, nepájel, ohýbal a znovu ohýbal rádoby antény, některé stopy se stáhly. Vyplynuly z toho dvě dobré věci. 1) Přepínám z horní strany na spodní stranu pro připevnění jedné nohy k zemi, což se ukázalo být lepší mechanicky a výkonnostně. 2) Zjistil jsem, že je dobré připevnit drát super-lepidlem nebo horkým lepidlem pro odlehčení tahu (během celého testování jsem omylem ohnul anténu.) Nejprve hotovo, to je může držet při pájení.

Kroky k provedení úpravy:

1. Udělejte dva řezy stop o šířce 1–2 mm poblíž základny antény DPS, jak je vidět na obrázku na prvním obrázku výše. To účinně odebere stávající anténu z obvodu.
2. Na druhé straně pomocí přesného nože seškrábejte ochranný povlak přes okraj základní roviny, jak je naznačeno na druhém obrázku výše
3. Uřízněte dva 24ga. Dráty do cca. 50 mm
4. Z jednoho konce každého drátu odizolujte pár milimetrů izolace.
5. Ohněte holou část v pravém úhlu na drátu, který chcete připevnit k zemi.
6. Přilepte každý drát dolů (doporučujeme: večeře nebo horké lepidlo), aby byl holý konec připraven k pájení; jeden těsně pod proříznutými stopami, druhý na okraji pozemní roviny na zádech. Dva vodiče musí ležet rovnoběžně a 6 mm od sebe.
7. Jakmile je lepidlo zatuhlé, vložte pájecí tavnou pastu na místo, kde budete pájet, a poté je pájejte. Doporučuji použít tavidlo, aby vám pájení rychle zabralo a desku nepřehřáli.
8. Proveďte ostré ohyby v pravém úhlu v drátech, od sebe, hranou desky plošných spojů, ~ 6 mm nahoru od místa, kde končí zemní rovina. Viz poslední dva obrázky výše. Pokud jste dráty neslepili, buďte mimořádně opatrní, abyste na pájecí body příliš nezatěžovali.
9. Změřte každý drátěný segment podél okraje desky na 30 mm od jeho 90 stupňového ohybu a tam je odřízněte. Zjistil jsem, že neumím přesně měřit a řezat, a tak jsem změřil a označil značkovačem s jemným vláknem, kde stříhat.
10. Pomocí ohmmetru zkontrolujte, zda vodič v blízkosti starých desek desek plošných spojů antény nemá spojitost ani v jednom z řezů provedených v kroku č. 1.

Krok 3: Hotový výrobek

Váš modul NRF24L01+ bude nyní fungovat mnohem lépe v jakémkoli projektu, ve kterém je použijete. Buď si můžete užít vyšší spolehlivost s větším dosahem nebo s nižším nastavením výkonu rádia. Měli byste to zjistit, i když upravíte pouze jedno rádio (vysílač nebo přijímač); a získejte dvojnásobek výhod při použití upravené jednotky na obou koncích. Nezapomeňte orientovat antény navzájem rovnoběžně. Realizuji projekt s více vzdálenými senzorovými jednotkami využívajícími těchto upravených rádií (svisle orientovaných s nohama směřujícími dolů), které budou všechny konverzovat s centrální základnovou stanicí pomocí NRF24L01+PA+LNA a externí antény.

Antény vysílače a přijímače ve vašem projektu musí být orientovány podobně horizontálně nebo vertikálně a velmi výhodně navzájem rovnoběžně. Navíc, možná v doplňkové orientaci, pokud víte, že mají směrové preference (toto zde není obecně uvedeno). Pokud vaše antény nejsou nutně fyzicky odlišné, jako byste na jednom konci nepoužívali externí anténu s vysokým ziskem, pak je nejlepší, aby byly antény identické a orientované úplně stejně. Důvodem je dosažení maximální spolehlivosti a dosahu a vzhledem k tomu, že antény jsou namontovány nehybně.

Nakonec je množství zlepšení trochu obtížné kvantifikovat; ale v mé aplikaci jsem to dal na 50 až 100% oproti neupraveným verzím. Myslím, že je přinejmenším stejně dobrý jako jednotka s externí anténou 2,5 dB; ale ne tak efektivní jako jednotka NRF24L01+PA+LNA.

Hlavním záměrem tohoto Instructable je jednoduše instruovat, jak navrhnout upravený NRF24L01+ s vynikající dipólovou anténou tak, aby dosáhl větších schopností vysílání a příjmu a lepší použitelnosti v projektech.

To je asi vše, co většinu lidí bude zajímat. S myšlenkou: „Co mám dělat, abych z těchto jednotek získal větší použitelný dosah?“

Takže v tomto bodě … pusťte se do toho; a dejte mi vědět o vašich úspěších s vašimi projekty pomocí vašich vlastních přizpůsobených rádií.

Pokud chcete předem otestovat vaše upravená rádia, zahrnul jsem software, který jsem vytvořil pro své testování, v pozdějším kroku.

Krok 4: Jak jsem optimalizoval tento design

Nyní pro ty, které to zajímá, se dále podělím o to, jak jsem testoval a kvalifikoval případná vylepšení. Tento pokyn však není předmětem implementace testování.

Pro testování lze použít libovolné desky Arduino nebo srovnatelné desky spolu s moduly NRF24L01+. Verze 01+ jsou zapotřebí s testovacím softwarem, jak je napsáno, protože používá přenosovou rychlost 250KHz. Rádia napájejte pouze napětím 1,9-3,6V.

Pro testování spolehlivosti dosahu jsem jako dálkové ovládání použil pro-mini Arduino a nemodifikovaný NRF24L01+. Který jednoduše přijme datový paket a vrátí jej zpět jako potvrzení. Ty byly napájeny regulovaným 3,3 V.

Tuto sestavu jsem nechal zalepit páskou v malé krabičce, kterou jsem mohl snadno a opakovaně umístit na různá testovací místa.

Jako hlavní transceiver jsem použil Nano3.0 MCU s upraveným NRF24L01+. Tento konec byl stacionární a poskytoval výsledky testů (buď pomocí 16x02 LCD displeje nebo sériového monitoru). Na začátku jsem zjistil, že vylepšená anténa bude mít za následek lepší schopnost vysílání i příjmu. Dále bych získal stejné výsledky testů s daným upraveným rádiem použitým na obou koncích. Všimněte si, že v testu každá strana vysílá i přijímá, to je proto, že po přenosu existuje potvrzení, které je třeba přijmout, aby mohlo být považováno za úspěšnou komunikaci.

Výsledky testování může ovlivnit mnoho věcí:

• Dotýká se modulu RF24 nebo téměř drátů k němu.
• Tělo je v jedné linii s přenosovou linkou.
• Výše uvedené dva mají pozitivní účinek.
• Charakteristiky napájecího napětí
• Především orientace antén vysílače a přijímače.
• Další provoz WiFi v této oblasti. Ty by mohly způsobit rozdíly, které se mohou podobat rozdílům mezi „dobrým počasím“a „bouřlivými podmínkami“. Zkusil jsem tedy hlavně testovat za příznivých podmínek. Opakoval bych test, abych získal nejlepší výsledky pro danou testovanou jednotku, a později tyto výsledky porovnal se srovnatelnými výsledky získanými na jiných testovacích jednotkách.

V interiéru je těžší získat spolehlivé výsledky testů ve srovnání s venku s přímou viditelností. Mohl bych dosáhnout drastických rozdílů ve výsledcích posunutím polohy jedné z jednotek o několik palců. To je způsobeno hustotami a složením bariér a reflexních signálních cest. Dalším faktorem by mohly být vzorce síly signálu antény, ale pochybuji, že by to mohlo způsobit drastické rozdíly v pohybu několika palců ze strany na stranu.

Vymyslel jsem nějaký software, který mi poskytne potřebné statistiky výkonu.

Navíc jsem co nejvíce nastavil testovací podmínky. Stejně jako páskování dolů na označené místo jsou antény (Tx a Rx) umístěny se stejnou orientací pro každou baterii výkonnostních testů. Níže uvedené výsledky testů představují kombinovaný průměr více testů z více míst. Za použitých testovacích podmínek nemohl neupravený vysílač přijímat žádné úspěšné zprávy.

Nejlepších výsledků jsem dosáhl s 24ga. přes 30g. drát. Výsledky byly jen o málo lepší; řekněme 10 procent. Je pravda, že jsem vyzkoušel pouze dva podobně zapojené instance a v celkové topologii antény (součet rozdílů mezi segmenty) mohly existovat rozdíly 1 mm. Dále jsem vylepšil první iteraci pomocí 30ga.; provedení několika 1 mm úprav. Poté duplikoval tyto délky vodičů s 24ga. bez dalších srovnatelných experimentů v délkách s 24 ga. Drát.

[Viz tabulka 1 výsledky na obrázku výše]

Jak jsem chtěl, aby se mé jednotky vešly do malého pouzdra, které jsem měl, přešel jsem z toho, aby anténní přenosové kabely byly od sebe vzdáleny 10 mm a dlouhé 10 mm, na pouhých 6 mm a 6 mm, a poté jsem testoval optimální vyladěné délky antény pro tuto konfiguraci. Zde je shrnutý souhrn výsledků z mých různých testů:

[Viz tabulka 2 výsledky na obrázku výše]

Další testování s lepším laboratorním měřicím zařízením by bezpochyby mohlo navrhnout a ověřit vylepšené délky segmentů (velikost drátu a případně body připojení nebo orientace) pro skutečně optimální výkon této modifikace dipólové antény pro rádia nRF24.

Dejte nám vědět, pokud získáte ověřitelné vylepšení (více než 24ga. 6X6mm x 30mm konfigurace). Mnoho z nás by chtělo z těchto rádií vytěžit maximum (bez přidání objemné antény).

Antény vysílače a přijímače ve vašem projektu musí být orientovány podobně horizontálně nebo vertikálně a přednostně navzájem rovnoběžně. Navíc, možná v doplňkové orientaci, pokud víte, že mají směrové preference (toto zde není obecně uvedeno). Pokud vaše antény nejsou nezbytně fyzicky odlišné, jako byste na jednom konci nepoužívali externí anténu s vysokým ziskem, pak je nejlepší, aby byly antény identické a orientované úplně stejně. Důvodem je dosažení maximální spolehlivosti a dosahu a vzhledem k tomu, že antény jsou namontovány nehybně.

Krok 5: Hardware a software, který jsem použil při testování

Hardware, který jsem použil pro testování 2 MCU kompatibilní s Arduino

2 NRF24L01+

Občas jsem také použil LCD displej a16x02 (pro pohodlné prohlížení v reálném čase. Sériovou konzolu lze také použít k získání výsledků testů) tlačítko (pro zahájení nové sady testů, jinak budete muset projít restartovat)

Odkazy na hardware, které bych doporučil a použil:

MCU: Nano V3.0 Atmega328P na eBay nebo Pro-Mini:

Moduly NRF24L01+ https://ebay.com/itm/191351948163 a

Modul displeje 16x02 LCD IC2

Soubory se zip kódem si stáhněte zde: